有益微生物菌肥对农作物的作用机制研究进展

武杞蔓 张金梅 李玥莹 张颖

（沈阳师范大学生命科学学院，沈阳 110034）

随着人们生活品质的不断提高，特别是人们对优质食品需求的不断提高，对人体安全、没有危害、品质上乘的有机农产品及绿色食品日益受到青睐。绿色食品生产中使用的肥料首先要能够促进植物生长和提高果实品质；其次肥料中的有害成分在植物中没有残留，最重要的肥料施用不能对生态环境造成不良影响，微生物菌肥满足以上3个条件。近年来，我国已经利用微生物制成了多种功能的生物肥，不仅能够改善果实品质、增加农产品的产量，还能减少环境污染，为有机农业的发展提供更多可能。

微生物肥料作为一种新型生物肥料，是通过具有活性的微生物生命活动来使作物获得生长发育所需要的营养［1］，通过在植物根际产生生长素、嗜铁素等生物物质，进而影响植物某方面的信号通路，达到促进生长、提高抗性的目的。微生物菌肥和普通生物肥相比，可以作用于多种作物，不必局限于一种作物。除此之外，微生物菌肥对土壤的要求并不高，一般来讲，作物能够生长的土地都可以施用微生物菌肥，平衡土壤的酸碱度，改善土壤的理化性质，进而促进作物生长；增加土壤中有益微生物的数量及活性，增加土壤中的有机质，阻止病原菌入侵，从而增强作物本身的抵抗病害的能力。

本文就微生物菌肥促进作物生长、提高果实品质、增强抗性以及改善土壤理化性质及微生物与植物相互作用的分子机制等方面进行了综述；应用微生物菌肥可以解决农药与化学肥料施用带来的一系列土壤有机质含量下降和生态环境污染问题，促进有机农业的发展，进而提高农民收入，发展农村经济，有极大的发展潜力。

1 微生物菌肥改善土壤理化性质的作用机制

微生物菌肥能活化有机质。土壤中含有丰富的有机质、腐殖质等营养物质，这些物质只有通过微生物的代谢作用或分解作用才能够被植物所利用，才能给植物提供生长所需的营养。菌肥中的微生物可以与植物形成共生体系，通过代谢活动直接提供给植物可以利用的营养物质，还可以帮助改善土壤某些物理特性、加强土壤还原力，提供给植物有益的生存环境，刺激土壤中有机质释放营养，改善植物根际土壤的理化性质，达到促进植物生长发育、提高产量的作用。

微生物菌肥能提高土壤酶活力。在农田人工生态系统中，微生物家族在其中占有重要地位，微生物通过自身的生命活动影响植物的代谢过程，在分子水平上微生物与植物之间如何相互作用一直以来都是科学家们研究的重点，土壤中的酶活性与植物的生命活动息息相关。邱吟霜等［2］的研究表明施用有机肥可以增加土壤蓄水能力，改善土壤通透性，降低土壤密度，增加土壤所含养分，提高土壤生产力。而施用微生物菌肥，显著增加了土壤中微生物的数量，提高了土壤中脲酶和糖酶的活性，保证了微生物群落及农田生态系统的平衡，有利于形成稳定的菌群结构［3］。

微生物菌肥能提高土壤肥力。微生物菌肥中的功能微生物会产生一些糖类等次生代谢产物，然后与植物分泌的某些粘性物质有机结合在一起形成团聚体，这样可以增加土壤黏性、减少土壤有机质的损失，增加土壤保水保肥的能力，有利于提升土壤肥力。

微生物菌肥能够改善土壤质量问题。现代农业中一些农田大量使用化学肥料，致使土壤条件变得恶劣、土壤有机质含量下降、土壤中某些元素含量严重超标，进而导致土壤中的微生物数量急剧下降，分解有机物的能力下降，土壤肥力不足，最终不能为作物提供需要的养分，影响植物的生长发育。施用微生物菌肥可以有效改善以上情况，微生物菌肥中含有丰富的有益微生物，这些小生物活动能力和适应环境的能力都很强，浇灌到土壤中，还会产生能够使土壤松散的代谢产物，提高土壤透气度，解决土壤板结的问题，提高土壤的肥沃程度。不仅如此，这些微生物聚集在植物根系，还能提高植物对病害的抵抗能力，减少患病率。有研究表明微生物代谢产生的有机酸能够使土壤脱盐脱碱，降低盐碱地中的有害离子，提高土壤养分的有效性［4］。黏性比较强的土地，虽然有机质含量丰富，但是植物利用起来却很困难，施用微生物菌肥可以通过增加黏土之间的空间间隙，提高土壤通透性，有效改善这一问题［5］。

从分子的角度来分析，一些固氮菌、溶磷菌及解钾菌中的相关基因在改善植物营养方面发挥着直接作用。研究发现在高磷条件下，从具有溶磷效果的假单胞菌wj1中克隆得到的gdh基因表达量最高［6］；pqq基因密切调控与溶磷作用有关的葡萄糖酸的产生［7］；fdxN 基因编码高效共生固氮所需的铁氧还蛋白，在固氮过程中发挥重要作用，nifQ 基因与nifB、nifE、nifN 在合成固氮酶的铁钼辅因子中起关键作用［8］。总之，这些微生物之所以能够发挥溶磷和固氮的作用，是因为溶磷和固氮作用的相关基因通过调控生成了蛋白及其他物质，进而达到溶磷和固氮的作用，这些生成的蛋白及其他物质对植物的生长发育至关重要。

2 微生物菌肥促进作物生长的作用机制

微生物菌肥中富含各种微生物，这些微生物可以改善植物根际土壤性质，增加土壤有机质含量，增加根际有益微生物数量，从而达到促进植物生长、增加植物对不良环境的抗性、提高植物对病害的抗性、改善果实品质的功效。

2.1 微生物菌肥的促生作用

研究发现，微生物菌肥对黄瓜、大豆、番茄、辣椒等植物的产量、结果率、根系状态等各个方面都有较明显的促进作用。Selvakumar等［9］研究发现用毛状野豌豆和堆肥处理红辣椒，比用化学肥料处理更能促进红辣椒植物的生长；刘燕等［10］研究发现施用带有枯草芽孢杆菌的肥料能够促进黄瓜生长，增加黄瓜单株结果数和单果重，大幅度提升黄瓜产量；王书娟等［11］研究发现施用微生物菌肥处理的番茄果实较大，皮色深红，果皮较薄，汁液较多，生长势强、抗病性好；黄玉波等［12］采用复合微生物菌肥对大豆进行处理，结果表明根系的根条数以及根瘤数明显提高。由此可见，施用微生物菌肥能够促进农作物的生长，增加果实的产量，改善果实的风味，这对有机农业的发展有很大的促进作用。

近年来，随着农业的发展和饮食水平的提升，人们对水果蔬菜的质量提出了更高的要求，更加注重食品的安全和风味，尤其喜欢无污染、口感佳、品质上乘的有机食品。微生物菌肥可以从维生素含量、可溶性糖、可溶性蛋白、有机酸、硝酸盐等方面来改善果实品质，提升水果的口感，使果实达到绿色食品的标准。维生素含量、可溶性糖含量、有机酸和可溶性蛋白质含量都是评测果实品质的指标，其含量越高，说明果实品质越好；硝酸盐特别是亚硝酸盐对人体健康有极大危害，其含量越高，说明果实品质越差。

研究表明，随着微生物菌肥施用量逐步的增加，维生素含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量3种指标总体呈上升趋势，硝酸盐含量呈逐渐下降趋势［13］。这说明施用微生物菌肥对提高黄瓜品质具有重要作用。余小兰等［14］的研究表明施用巨大芽孢杆菌，可提高小白菜产量，降低硝酸盐含量，改善小白菜品质。此外，微生物菌肥还可以显著促进白菜的生长发育，提高白菜的单株鲜重和叶绿素含量，降低白菜的硝酸盐含量，提高可溶性糖含量和维生素含量，同时增强土壤中酶的活性［15］。因此，施用微生物菌肥可以降低农作物中硝酸盐含量，提高可溶性糖和可溶性蛋白含量，改善农作物品质，这可能是通过提高土壤中酶的活性来实现的，需要更进一步的研究探索。

2.2 微生物菌肥促进植物生长的机制

植物生长发育所需要的水分和营养物质从植物根际吸收，然后运输到植物的各个组织。植物根 际 促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR），是生活在植物根际能够刺激植物生长同时还能抑制病原菌生存的细菌，在植物的生长过程中发挥重要作用［16］。微生物菌肥中起主要作用的就是这些根际促生菌PGPR，它们生存在植物根系或根际土壤，具有固定氮元素、溶解磷元素、分泌抗生素与植物激素等物质的作用。

PGPR参与促进植物生长发育的各种机制。科学家们筛选了对拟南芥早期生长有效的PGPR得到了一种枯草芽孢杆菌L1（BsL1），发现BsL1通过促进硝酸盐的同化和利用，促进植物生长和各种代谢物质的产生，从而使植物在正常条件下生长的更好，在拟南芥、小麦和生菜上有明显的促生效果［17］。除了对这些植物具有促生效果，PGPR菌肥对猫尾草和小黑麦也具有明显的促生长的作用［18］。对PGPR菌株枯草芽孢杆菌EA-CB0575中植物生长促进机制相关的基因进行注释和分析后发现这些基因与乙酰乙酸、2，3-丁二醇和LPs的产生，固氮，磷酸盐增溶及对植物病原体的拮抗活性有关［19］。因此，PGPR能够通过调控基因，产生乙酰乙酸、2，3-丁二醇等物质，实现对拟南芥、小麦和生菜等农作物的促生作用。

在PGPR促进植物生长的诸多机制中，生长素的产生是一个重要的机制［20］。研究表明，PGPR能够通过色氨酸代谢产生内源性生长素IAA，产生的IAA被植物吸收，诱导细胞分裂和细胞伸长，进而影响根的形态和发育，增加根的表面积、体积和长度，让植物更容易获得土壤中的养分［21］。因此，PGPR通过养分吸收间接促进植物生长，同时改变根系功能，改善植物营养，从而影响整株植物的生理功能［22-23］。另一方面，ACC脱氨酶的活性可以通过IAA进行调节，IAA刺激植物体内ACC合成酶的生物合成，从而导致ACC表达增加［24-25］，ACC脱氨酶通过降低植物内乙烯水平，来促进植物生长［26］。PGPR对农作物促生长的作用具体详见表1。

表1 PGPR对农作物促生长的作用Table 1 Effect of PGPR on the growth of crops

3 微生物菌肥提高植物抗性

南京农业大学生物农药及绿色植保实验室研发出新型微生物复合肥料“宁盾”中富含多种芽孢杆菌，主要起作用的是枯草芽孢杆菌，这些细菌在植物根际土壤或植物体内大量繁殖，通过和病原菌竞争营养、诱导植物防御机制、分泌抗菌物质3种方式来抵御病原菌入侵，进而保护植物免受病害侵袭并促进植物生长［16］。

3.1 微生物菌肥提高植物抗逆性与抗病性的作用机制

微生物菌肥除了能够促进植物生长发育、增加作物产量，还能提高植物对不良环境的适应能力，对番茄青枯病、草莓枯萎病、大豆根腐病也具有防治效果。植物在生长发育过程中常常因为生长环境恶劣，而导致植株生长缓慢、植株矮小、营养不良等问题，在这种环境下生长的作物容易出现减产的现象。

连作土地由于连续种植，容易积累大量的有毒有害物质。作物在连作土壤的环境下生长，容易导致抗病能力下降、生长迟缓、产量低等问题，作物为了能在这种环境下很好的生存，逐渐形成了多种次生代谢途径，并产生相应的次生代谢产物来抵御逆境［34］。过氧化物酶（peroxidase，POD）、儿茶酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和苯丙氨酸解氨酶（phenylalanineammo-nialyase，PAL）都能够在植物抗逆反应中发挥作用，PPO能够减缓两种植物间相互排斥或抑制的作用［35］，PAL是苯丙烷类次生代谢途径的限速酶和关键酶［36］。谢东锋等［37］的研究表明，微生物菌肥能促进连作土地黄瓜植株的生长，激活黄瓜相关抗性反应，提升黄瓜体内POD、PAL等防御性酶活性，从而增强黄瓜自身抗性。周游等［38］的研究也发现了枯草芽孢杆菌能提高芹菜中过氧化氢酶（cata-lase，CAT）和过氧化物酶等防御酶活性。说明微生物菌肥可以通过激活植物体内的防御酶活性来提高植物的抗逆性。

根腐病是一种由腐霉、疫霉等多种真菌侵染植物而引起的病害，这种病会导致植物根部腐烂，进而导致作物死亡。在大豆的种植过程中，很容易发生根腐病等病害，这些病害严重影响着大豆产量。有研究表明木霉菌、芽孢杆菌、假单胞杆菌等微生物对大豆根腐病具有明显的防治效果［39］。施加相应的微生物菌肥，可以有利于增强大豆对病害的抗性。生物防治是最有效，最持久的防治大豆根腐病的方法［40］。有研究发现枯草芽孢杆菌8-32对大豆根腐病具有良好的防治效果［41］。以枯草芽孢杆菌为主要成分的生物拌种剂，能够大大提升对大豆根腐病的防治率［42］。也就是说，微生物菌肥中的有效菌对大豆根霉病具有良好的防治效果，因此，微生物菌肥在有机农业上具有很广阔的应用前景。

草莓是世界上最受喜爱、最经济美味的水果之一。然而，在同一块地上连续种植多年，草莓的产量会受到严重影响，由脆弱型镰刀菌引起的镰刀菌枯萎病严重威胁着世界各地的草莓生产。Chen等［43］的实验研究表明富含多种芽孢杆菌的生物有机肥显著提高了SOD、PPO、POD和CAT等根际酶的活性，显著增加了根际有益微生物含量，对草莓枯萎病的防治效果显著，通过盆栽试验，可以使草莓无病害产量达到80%。

灰霉病和青枯病是影响番茄产量的两大病害。灰霉病是一种真菌性疾病，发病时果实表面先生有灰霉，后导致果实腐烂。青枯病是田间常见的细菌性病害之一，发病时会导致植物茎叶青枯，影响作物产量。芽孢杆菌菌株SG08-09和SG09-12属于根际促生细菌群PGPR，在温室条件下对番茄灰霉病菌表现出拮抗作用，有可能成为抵抗灰霉病的有价值的生物防治剂［44］。研究发现芽孢杆菌菌株SG08-09能够防治灰霉病是因为菌株激活了植物发病机理相关基因PR蛋白基因Chi3（酸性的几丁质酶3）和PR2a（酸性β-1，3-葡聚糖酶）的表达，这些基因参与生产几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶，而这两种酶通常应用于抑制真菌的生长。此外，研究表明接种了解淀粉芽孢杆菌IUMC7的蘑菇堆肥显著降低了番茄植株的青枯病严重程度，这是因为蘑菇堆肥中含有的淀粉样蛋白具有抑制病害的作用［45］。因此，微生物菌肥通过芽孢杆菌等有效菌种的生物活动对番茄灰霉病和青枯病达到良好的防治效果。

综上所述，微生物菌肥可以有效的防治番茄灰霉病和番茄青枯病，主要是通过微生物菌肥中PGPR细菌处理植株，产生了能够抑制真菌的蛋白或者激活了植株中与抑制真菌有关基因的表达，从而达到抑制病害的作用。

3.2 微生物菌肥增强作物抗性的机制

有的PGPR可以产生增加植物抗性的物质，如生长素、铁载体和嗜铁素等。生长素、嗜铁素的产生对抑制有害病原微生物的滋长、防治植物疾病等方面都发挥着重要的作用，而铁载体可通过与植物根际病原菌竞争铁营养，从而达到抑制病原微生物生长繁殖的目的［46］。

在防御机制中，IAA几乎参与了植物生长发育的所有阶段，细菌IAA使植物细胞壁松弛，导致根渗出量增加，从而提供额外的营养来支持根际细菌的生长［47-48］。有研究表明，PGPR产生生长素能够激活生物合成信号通路［20］。植物激素作为信号分子，主要参与细菌-植物信号传导和生长素信号传导［49］。通过诱导分泌相关蛋白或诱导相关基因的表达，从而影响酶的活性，进而达到促进植物生长和防治病害的目的。有研究表明，植物根际有益微生物假单胞杆菌通过产生一种嗜铁素（假单胞菌素358），在根际掠夺其他有害或病原根际微生物生长所必需的铁元素，从而使病原菌活性降低，生长减慢来达到抑制病原菌的作用［50］。

研究发现通过质粒拯救技术筛选出7株对3种病原细菌抑制效果明显下降的绿针假单胞菌YL-1突变体，经过对突变体插入位点基因序列的测序和生物信息学分析发现，其中6个突变位点是嗜铁素合成基因簇，说明嗜铁素对病原菌的抑制有显著作用［51］。从解淀粉芽孢杆菌B1619菌株的基因组DNA 中克隆的脂肽类抗生素合成基因sfp、ituA和fenB，能够抑制番茄枯萎病菌的生长［52］。除此之外，在铁载体产生菌E1中克隆的cysI 基因可能与铁载体合成途径中关键蛋白酰基硫载体蛋白acyl -S-PCPs的形成有关［53］。短小芽孢杆菌抑菌相关基因Tasa具有广谱抑菌活性，能够竞争性抑制许多植物病原细菌的生长，表面活性素合成酶基因Surf2的合成产物是一种重要的非核糖体途径合成的脂肽类抗生素，在芽胞杆菌的生防机制中占有重要地位。从枯草芽孢杆菌中克隆得到的ituD基因与杀菌剂伊枯草菌素 IturinA的合成密切相关。因此，微生物菌肥之所以能够达到抑制病原菌生长的效果，是因为其中的芽孢杆菌、假单胞菌等PGPR菌株能够产生嗜铁素、抗生素等具有抑菌作用的物质，而这些物质都是受抑菌相关基因进行调控的。也就是说，这些菌株通过调控酶合成基因、抗生素合成基因，进而调控下游的抑菌关键酶与关键蛋白，刺激生成相关的酶、蛋白及抗生素等其他物质，最终达到抑菌的作用。PGPR提高农作物抗性的具体表现详见表2。

4 结语

微生物菌肥对植物的生长发育、抗逆性、抗病性和土壤理化性质等方面都具有积极的影响。目前来看，全球范围内大部分国家已经开始生产和推广使用微生物菌肥，我国也已经有很多企业看中了有益微生物菌肥的商业价值，陆续开始投入生产。这说明微生物菌肥已经开始在农业生产中发挥作用，并且为企业发展带来了一定的经济效益。

表2 PGPR提高农作物的抗性Table 2 PGPR can improve the resistance of crops

微生物菌肥中的有效微生物多为根际促生菌（PGPR）。PGPR通过色氨酸代谢产生内源性生长素、对硝酸盐的同化与利用、调节ACC脱氨酶活性来促进植物生长；另一方面，PGPR通过激活植物发病机理相关基因表达、产生嗜铁素等增加植物抗性的物质、产生生长素激活生物合成信号通路来提高植物抗性。研究微生物与植物互作机制可以根据需求，定向的改变植物的信号通路，提高作物产量，改善果实品质，提高作物抗性，发展农业经济，推动农业发展。因此微生物菌肥在未来的可持续农业生产中将占有重要地位。

微生物菌肥的使用，有效推动了有机农业的发展。有机农业是一种健康可持续的农业发展方式，在自然条件下，生产安全可靠、健康美味的产品，为人们提供放心满意的食品［61］。微生物菌肥是一类对环境友好的新型肥料，不仅不会对环境造成污染，而且还能够提高果实品质，增强土壤理化性质，减缓轮作对土壤的影响，应用到有机农业中可有效促进我国有机农业的整体发展。